Conception d’une librairie de traitement du signal optimisée pour l’AVR32 UC3

1. Conception d’une librairie de traitement du signal optimisée pour l’AVR32 UC3 Atmel Nantes S.A. Blaise LENGRAND – 2007

2. Sommaire • Présentation de l’entreprise • Spécifications des produits AVR32 UC3 • Présentation de la « Software Framework » • Cahier des charges • Spécifications de la DSPLib • Gestion de projet • Développement • Benchmarks • Documentation • Apports

3. Spécifications des produits AVR32 UC3 (1) • Faible consommation • Dispose de mémoire FLASH • Lecture/Ecriture de la SRAM interne en 1 cycle • De nombreuses fonctionnalités dont • Full speed USB 2.0 OTG • Ethernet 10/100 Mbits (*) • Multiples canaux DMA • Jeu d’instructions DSP • 1.3 Dhrystone MIPS/MHz (*) Pour la série A uniquement

4. Spécifications des produits AVR32 UC3 (2) • 3 étages de pipeline. • Prefetch • Pré-chargement d’une instruction 32 bits ou de deux de 16 bits tous les cycles d’horloge. • Decode • Décodage de l’instruction. • Execute • 3 sous-sections: ALU, Multiplication, Lecture/Ecriture.

5. Spécifications des produits AVR32 UC3 (3) • Instructions: • Lecture/Ecriture • accès aux données de 8, 16, 32 ou 64 bits avec différents modes d’adressage. • Instructions DSPs • MAC, MUL, ADD/SUB avec décalages et arrondis. • Modes: • Mécanismes de protection de la mémoire (MPU). • Faible densité du code: • 20% plus performant que l’ARM7 (Thumb) ou le Cortex M3 (Thumb2).

6. Présentation de la « Software Framework » • Une librairie comportant: • Des drivers • Fournissant une interface permettant de faire abstraction des périphériques du microcontrôleur. • Des services • Un ensemble de sous-librairies haut niveau (c’est dans ce module qu’intervient la DSPLib). • Des applications • Des exemples complets utilisant les services et les drivers.

7. Cahier des charges • Conception d’une librairie de traitement du signal optimisée pour l’AVR32 UC3 • Identifier et spécifier les principales fonctions de traitement du signal à intégrer dans la librairie. • Développer la librairie et l’intégrer dans un environnement déjà existant. • Optimiser au mieux les fonctions en exploitant toutes les ressources du microcontrôleur. • Effectuer des tests de performances sur les différentes fonctions de la librairie et les comparer avec la concurrence.

8. Prise en main • Développement du driver RTC • Prise en main des logiciels - AVR32-GNU tool chain, IAR, Tortoise SVN. • Prise en main du matériel – JTAG ICE mkII, EVK1100.

9. Spécifications de la DSPLib (1) • Méthode • Recherche auprès de la concurrence directe (1) • STMicroelectronics  « STR91x DSP library » • Microchip  « dsPIC DSC DSP Algorithm library » • Recherche auprès de la concurrence indirecte (2) • Texas Instrument  « TMS320C64x DSP library » • Recherche auprès des librairies disponibles sur Internet • Numerix  « SigLib DSP library » • Recherche auprès des clients • Par l’intermédiaire de Régis Latawiec (marketeur du produit). • Des concurrents dont le produit est équivalent à l’AVR32 UC3. • Des concurrents mais dont le produit concerné n’est pas comparable avec l’AVR32 UC3 mais qui fournissent eux aussi une librairie DSP.

10. Spécifications de la DSPLib (2) • Fonctions – séparées en 2 librairies • Librairie basique • Operateurs • Vecteurs • Filtres • Transformées • Fenêtrages • Génération de signaux • Débogages • Librairie avancée • Compression (ADPCM) • Téléphonie (CallerId, CAG, …) • Régulateur (PID)

11. Spécifications de la DSPLib (3) • Types • Nombres à virgule-fixe sur 16 et 32 bits. • Nombres complexes (16 et 32 bits). • Vecteurs réels et complexes (16 et 32 bits). • Compatibilité • Code compilable sous AVR32-GCC et IAR. • Chaque fonction a une version générique (codée en C). • Les algorithmes sont compatibles avec les types 16 bits et 32 bits. • Optimisation • Chaque fonction a une version optimisée pour l’AVR32 UC3. • Options d’optimisation de l’algorithmique. • en vitesse, en taille et en précision.

12. Gestion de projet • Planning prévisionnel • Diagramme de GANTT • Mises à jours régulières • Cycle en V • Planning effectif • Rapport hebdomadaire (Weekly).

13. Développement (1) • Architecture de la librairie

14. Développement (2)

15. Développement (3) - 1ère phase - Conception • Recherche de documentations sur les algorithmes utilisés. • Conception et validation des algorithmes avec l’outil Scilab.

16. Développement (3) - 2ème phase - Développement • Développement des versions génériques (16 et 32 bits). • Codage de l’algorithme en C. • Tests et débogages • Comparaisons des résultats avec ceux de la conception (Scilab). • Utilisation d’outils personnalisés. • Petits programmes codés en C sous Windows pour récupérer, extraire et afficher les résultats afin d’en faciliter l’analyse. • Développement des versions optimisées. • Codage de l’algorithme en C et en assembleur. • Tests et débogages • De même que pour les versions génériques.

17. Développement (4) - 2ème phase - Développement • Identification de bugs (liés aux outils principalement). • Bugzilla. • Proposition d’une nouvelle instruction à rajouter au jeu d’instruction de l’AVR32 UC3. • adddiv2hh.w et subdiv2hh.w • Sur l’exemple de la FFT, cette instruction ferait gagner jusqu’à 20% de temps d’exécution de l’algorithme. • Résultats: • 48 fonctions codés.

18. Benchmarks (1) • Intérêts • Se positionner par rapport à la concurrence. • Valider la conception et le développement. • Outils • Utilisation d’un script pour automatiser le processus. • Création d’un fichier de configuration. • Compilation du benchmark. • Lancement du benchmark. • Récupération des données. • Exploitation des données. • Extractions des données importantes. • Calcul du taux d’erreur avec un résultat de référence. • Enregistrement des résultats du benchmark.

19. Benchmarks (2) • Comparaison entre les versions génériques (codées en C) et optimisées des fonctions de la DSPLib. En pourcentage du temps mis pour exécuter la version générique de la fonction concernée.

20. Aucune donnée disponible pour dsPIC Benchmarks (3) – FFT • Comparaison des performances avec la concurrence.

21. Benchmarks (4) – Filtres IIR • Comparaison des performances avec la concurrence.

22. Benchmarks (5) – Filtres IIR • Comparaison des performances avec la concurrence.

23. Benchmarks (6) – « TI Bench » • Benchmark proposant de multiples code sources permettant d’évaluer globalement les performances d’un microcontrôleur. • T.I. fournit aussi les résultats du « TI Bench » exécuté sur de nombreux microcontrôleurs: dsPIC, ARM7, … • Exploitation des résultats • Bien placé par rapport à la concurrence dans l’ensemble. • Mauvaise gestion des nombres à virgules-flottantes.

24. Documentation • Tout le code est documenté en Doxygen, de même pour chacun des exemples. • Réalisation d’une documentation complète appelée « profile » pour les fonctions importantes. • Création de « readme.html » permettant de naviguer rapidement dans l’architecture de la librairie et d’en ressortir les fonctionnalités principales.

25. Apports • Pour l’entreprise • Développement d’une librairie complète de traitement du signal optimisée pour l’AVR32 UC3. • Référencement de différents bugs (Bugzilla). • Proposition d’amélioration du cœur AVR32 UC3. • Réalisation de petits travaux: TI Bench, présentation… • Pour moi • Progrès en optimisation d’algorithme et de code (assembleur et C). • Progrès en traitement du signal. • Rédaction de documentations techniques destinées aux clients et aux usages internes. • Collaboration avec d’autres ingénieurs. • Conduite d’un projet complet.